СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ МОДУЛЯТОРОВ И ДЕМОДУЛЯТОРОВ

СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Цель работы: изучение принципов работы, теоретическое и экспериментальное исследование статистических и динамических характеристик модуляторов и демодуляторов автоматических систем.

I. Методические указания

В автоматических системах широко используется преобразование управляющих сигналов. Наиболее часто осуществляется преобразование сигнала постоянного тока в переменный, модулированный сигнал, а также - обратное преобразование модулированного сигнала в сигнал постоянного тока. Эти преобразования выполняют модуляторы и демодуляторы.

При модуляции информация о величине сигнала постоянного тока заключена в амплитуде, а информация о знаке - в фазе модулированного сигнала. В процессе демодуляции происходит обратное преобразование: амплитуда входного сигнала определяет величину, а фаза - знак выходного сигнала постоянного тока. В качестве несущей частоты чаще всего используются частоты 50, 400, 500 и 1000 Гц.

Модуляторы

Модуляторы называются пассивными, если выходной сигнал образуется за счет мощности входного сигнала, и активными, если мощность выходного сигнала определяется мощностью источников питания. Примером активного модулятора является магнитный усилитель. Пассивный модулятор исследуется в данной лабораторной работе.

По своему схемному решению модуляторы весьма разнообразны [3]. В технике наиболее широкое применение находят модуляторы на полупроводниковых диодах и транзисторах, обладающие малой массой, габаритами и высокой надежностью в работе, а также широкими возможностями микроминиатюризации и унификации.

Недостатками транзисторных модуляторов являются температурная зависимость параметров транзистора, приводящая к дрейфу нуля модулятора, а также наличие выбросов напряжения на транзисторе, обусловленных процессами, возникающими при их переключении [3].

На практике применяются только модуляторы, в которых транзисторы работают в ключевом режиме. Входное (преобразуемое) напряжение всегда подключается к переходу эмиттер-коллектор транзистора. Опорное напряжение подключается между эмиттером и базой (нормальное включение), либо между базой и коллектором (инверсное включение) транзистора.

Общий принцип построения транзисторных модуляторов заключается в том, что ключ (переход эмиттер-коллектор) замыкается или размыкается в зависимости от знака опорного напряжения. Величина и направление тока, протекающего через ключ, определяются входным сигналом, нагрузкой и параметрами модулятора. Входное напряжение должно иметь малую величину по сравнению c опорным напряжением для того, чтобы ключ срабатывал только от опорного напряжения.

На рис. I изображены принципиальная и эквивалентная схемы, а также временные диаграммы двухполупериодного модулятора с компенсированными ключами и с трансформаторным выходом. Транзисторные ключи, образованные парами последовательно и встречно включенных транзисторов V1, V2 и V3, V4, управляются опорным напряжением, снимаемым с обмоток трансформатора Т1.

 

Рис.1. Двухполупериодный модулятор на транзисторах

 

Пусть опорное напряжение в течение полупериода I имеет полярность, указанную на рис. 1а знаками, не заключёнными в скобки, а входное напряжение положительно. Тогда транзисторы V1 и V2 - закрыты, а V3 и V4 - открыты. В замкнутом контуре, образованном нижней обмоткой трансформатора Т1, резистором R 2 и параллельно включенными переходами эмиттер-база транзисторов V3 и V4 протекает ток , обозначенный на рис.1а простой стрелкой. Величина тока в течение всего полупериода I постоянна (см. рис.1,в). В замкнутом контуре, образованном источником входного сигнала , последовательно и встречно включенными переходами эмиттер-коллектор транзисторов протекает ток нагрузки . Если для амплитудных значений выполняется условие

(1)

то входной сигнал не влияет на характер переключения транзисторов V3 в V4, и работа обоих замкнутых контуров может рассматриваться независимо друг от друга. Величина тока нагрузки

, (2)

где - величина входного сигнала, - дополнительное сопротивление, представляющее собой сумму сопротивлений открытых транзисторов и активных сопротивлений первичной и вторичной обмоток трансформатора Т 2, R¹_h - пересчитанное на вход трансформатора Т2 сопротивление нагрузки. Из (2) следует, что величина и знак тока нагрузки определяются входным сигналом и поcтоянны в течение всего первого полупериода.

Ток нагрузки создает на нижней половине обмотки трансформатора Т2 напряжение, полярность которого обозначена значками, не заключенными в скобки. С началом полупериода II опорного напряжения транзисторы V3 и V4 закрываются (), а транзисторы V1 и V2 – открываются. В цепях транзисторов протекают процессы, аналогичные рассмотренным выше для транзисторов V3 и V4.

Для полупериода II знаки, определяющие полярности опорного напряжения и тока нагрузки, заключены в скобки, а направления соответствующих им токов указаны стрелками с оперением. На временной диаграмме ток нагрузки отрицателен. Таким образом, ток, протекающий через первичную обмотку трансформатора Т2, имеет прямоугольную форму.

Полезным сигналом модулятора является первая гармоника выходного напряжения. При изменении полярности входного сигнала меняется фаза выходного напряжения (см. рис.1в). Конденсатор С совместно с индуктивностью обмотки трансформатора Т2 образует контур, предназначенный для выделения первой гармоники опорного напряжения. Трансформатор T2выполняет также роль элемента согласования источника сигнала с нагрузкой.

На рис. 1б представлена упрощённая эквивалентная схема модулятора для полупериода I. Замкнутый ключ К1 заменяет открытые транзисторы V1 и V2.

Максимальное значение прямоугольного выходного напряжения

Определим коэффициент преобразования модулятора как отношение амплитудного или эффективного значений первой гармоники выходного сигнала к величине входного напряжения.

(3)

(4)

На практике чаще применяется схема с инверсным включением транзисторов. Она отличается от рассмотренной нами схемы только тем, что во всех четырех транзисторах необходимо поменять местами включение коллектора и эмиттера, т.е. подключить опорное напряжение к переходу коллектор-база. Как следует из рассмотрения принципа работы, характер временных диаграмм при таком включении не изменится, если выполняется весьма важное условие (I).

 

Демодуляторы.

Демодуляторы, так же как и модуляторы называются активными, если их выходной сигнал образуется за счёт мощности источника питания и пассивными, если он образуется за счет мощности входного сигнала.

Требования, предъявляемые к демодуляторам, аналогичны тем, которые предъявляются к модуляторам [1].

Все упомянутые схемы модуляторов могут использоваться в качестве демодуляторов, если их вход и выход поменять местами. В качестве примера рассмотрим широко распространенную схему пассивного кольцевого демодулятора. Принципиальная схема демодулятора с предварительным усилением напряжения сигнала переменного тока изображена на рис. 2а. Усилитель предназначен для усиления входного сигнала по мощности, согласования источника модулированного сигнала с сопротивлением нагрузки и для ограничения входного напряжения. Ограничение осуществляется диодами V1 - V4, включёнными в цепь база-эмиттер транзистора V5. Усиленный входной сигнал поступает на первичную обмотку трансформатора Т1, вторичная обмотка которого подключена к схеме из четырех диодов, включенных по кольцу, и к сопротивлению нагрузки.

Принцип работы демодулятора заключается в том, что входной сигнал подключается к нагрузочному сопротивлению с частотой опорного напряжения. Причём подключение осуществляется так, что выходной сигнал имеет постоянную полярность, определяемую фазой, и величину, определяемую амплитудой входного сигнала. Переключение осуществляется диодами, управляемыми опорным напряжением. Так же и в модуляторах, здесь используется ключевой режим, при котором сопротивление диодов изменяется от нескольких мегОм до нескольких Ом.

Ключевой режим диодов обеспечивается выбором амплитуды напряжения на вторичной обмотке трансформатора T2. Для нормальной работы демодулятора необходимо обеспечить условия, при которых входное напряжение (см. рис. 2а) и ток нагрузки не влияли бы на режим работы диодов:

В рассмотренной схеме для ограничения напряжения на входе предварительного усиления включен диодный ограничитель напряжения.

 

 

 

 

Рис.2 Принципиальная схема пассивного кольцевого демодулятора

 

Коммутирующее напряжение в полупериоде I отпирает диоды V6, V8 и запирает диоды V7 и V9. При отпирании диодов по ним протекает коммутирующий (опорный) ток, величина которого ограничивается резистором R6. Эквивалентная схема демодулятора для полупериода I показана на рис. 2б. В контуре, образованной вторичной обмоткой трансформатора Т2, диодами V6, V8 и сопротивлением R6, протекает ток ; в контуре, образованном верхней половиной вторичной обмотки трансформатора Т1, нагрузкой Rни элементами рассмотренного выше контура, протекает ток нагрузки . В полупериод II диоды V7 и V9 открыты, закрыты диоды V6 и V8. Но при этом меняется на противоположную и полярность напряжения , снимаемого со вторичной обмотки трансформатора Т1. Эквивалентная схема демодулятора в э том случае изображена на рис.2в, работа схемы аналогична рассмотренной для полупериода I. Полярность сигнала на нагрузочном сопротивлении Rнсовпадает с полярностью сигнала в течение полупериода I. Напряжение на нагрузочном сопротивлении будет пульсирующим.

Рассмотренная схема может работать как фазовый детектор, так как полярность и величина напряжения на нагрузочном сопротивлении зависят от сдвига фаз φ между сигналом и опорным напряжением.

,

Где - коэффициент усиления по напряжению предварительного усилителя – ограничительное сопротивление.

Для демодулятора или , и его коэффициент передачи

(5)

Если напряжение входного сигнала задано величиной его эффективного значения, то

(6)

Входное сопротивление демодулятора

,

Где - коэффициент передачи трансформатора Т1.

Выходное сопротивление:

При определении выходного и входного сопротивлений активными и индуктивными сопротивлениями обмоток трансформаторов пренебрегаем, ввиду их малости. Прямое сопротивление диодов считаем равным нулю, а обратное - бесконечно большим.

 

Динамические характеристики модуляторов и демодуляторов.

Рассмотрим цепь преобразования сигнала, состоящую из модулятора, усилителя, демодулятора и фильтра нижних частот. Свойства цепи в динамике можно описать, используя частотные или временные характеристики.

Пусть на вход поступает гармоническое напряжение частоты . Преобразование входного напряжения в ток нагрузки нелинейно (см. рис. 1в). В данном случав прямоугольные импульсы нагрузки будут промодулированы по амплитуде входным сигналом.

Контур, образованный трансформатором Т2 и конденсатором С, выделяет из полученного сигнала составляющие спектра, близкие к несущей частоте . В данном случае мы имеем дело с так называемым модулированным сигналом. Полезная информация заключена в его огибающей, поэтому для описания динамических свойств контура целесообразно использовать его эквивалентную частотную передаточную функцию по огибающей [2]. Если частота настройки контура совпадает с несущей частотой , то эквивалентная частотная передаточная функция по огибающей определяется из частотной передаточной функции контура [2]:

; (7)

Итак, при выполнении перечисленных выше условий (сравнительно малое входное напряжение, сравнительно малая величина , точная настройка контура) модулятор можно считать линейным динамическим звеном с эквивалентной частотной функцией по огибающей, определяемой выражением (7). В первом приближении это апериодическое звено первого порядка с постоянной времени Тк.

Усилитель входного сигнала демодулятора является резонансным. Его частотная передаточная характеристика совпадает по форме с характеристикой рассмотренного выше контура и отличается лишь величиной постоянной времени Ту

Демодулятор выполняет нелинейное преобразование напряжения переменного тока в импульсы тока нагрузки. Полезная информация заключена в огибающей этих импульсов. Для выделения огибающей используется фильтр нижних частот в виде интегрирующей RC - цепочки. Если входное напряжение демодулятора меньше номинального значения (условие линейности статической характеристики), то демодулятор с фильтром являются апериодическим звеном первого порядка, постоянная времени которого

(8)

В (8) полагаем, что .

К выбору величины постоянной времени фильтра предъявляется противоречивые требования. С одной стороны увеличение постоянной времени улучшает фильтрацию несущей частоты , а с другой стороны - уменьшает коэффициент передачи демодулятора на частоте огибающей . При заданной величине Т_фграничная частота огибающей, определенная по уровню 0,707 нормированной частотной характеристики, равна

, или (9)

Обычно Т_ф>>Т_у≈Т_к, то есть влиянием постоянных времени Т_у и Т_к можно пренебречь. Тогда цепь преобразования сигнала, состоящая из модулятора, усилителя и сглаживающего фильтра при работе на линейном участке статической характеристики по своим динамическим характеристикам эквивалентна апериодическому звену первого порядка с постоянной времени Т_ф.

В процессе экспериментального исследования величина постоянной времени Т_ф может быть определена по частотной характеристике цепи преобразования (9) либо по переходной характеристике это цепи из условия

(10)

 

где - время переходного процесса.

 

 

II. Описание лабораторной установки.

В состав лабораторной установки входят лабораторный стенд и осциллограф.

Лабораторный стенд включает следующие устройства:

- модулятор на транзисторах,

- кольцевой демодулятор с каскадом предварительного усиления сигнала,

- мостовой демодулятор,

- датчик модулированного сигнала,

- два измерительных прибора.

 

 

III. Порядок выполнения работы.

В процессе выполнения работы исследуются статические характеристики модулятора и демодулятора.

Исследование модулятора

Подключить ко входу модулятора датчик сигнала постоянного тока и измерительный прибор постоянного тока, а к выходу измерительный прибор переменного тока. Установить входной сигнал, равным 1В, и, подключая осциллограф, наблюдать эпюры напряжений на выходах трансформаторов Т1 и Т2. Зарисовать эпюры напряжений. Изменяя входной сигнал по величине и знаку, снять статическую характеристику модулятора, занося результаты измерения в таблицу.

 

Uвх, В		+ 0,2	+ 0,4	+ 0,6	+ 0,8	+ I
Uвых, В
Uвых, В

Исследование демодулятора

Подключить ко входу демодулятора датчик модулированного сигнала и измерительный прибор переменного тока, ко вторичной обмотке трансформатора Т1 - измерительный прибор переменного тока, а к сопротивлению нагрузки - постоянного тока. Установить входной сигнал равным 0,1В и, подключая осциллограф, наблюдать эпюры напряжений на вторичных обмотках трансформатором Т1 и Т2, на нагрузке. Зарисовать эпюры напряжений. Изменяя входной сигнал по величине и знаку, снять статические характеристики демодулятора для двух значений нагрузки Rн=10кОм и Rн=20кОм.

Uвх, В		+ 0,2	+ 0,4	+ 0,6	+ 0,8	+ I,0	Rн
Uвых, В								10кОм
Uвых, В
Uвых, В								20кОм
Uвых, В

 

 

IV. Содержание отчёта.

1. Электрические принципиальные схемы модулятора и демодулятора (без предварительного усилителя).

2. Таблицы с результатами экспериментальных исследований

3. Осциллограммы напряжений.

4. Графики по данным таблиц 1 и 2. Определить коэффициенты преобразования модулятора и демодулятора.

5. Выводы по проделанной работе.

 

V. Контрольные вопросы.

1. Назначение модуляторов, классификация и предъявляемые требования.

2. Устройство к принцип действия модулятора на транзисторах (рис. 1а ).

3. Режим работы транзисторов, его особенность и преимущества.

4. Как определяется коэффициент преобразования модулятора по экспериментальным данным?

5. Каким динамическим звеном является модулятор? Как проявляются динамические свойства модулятора в процессе экспериментального исследования?

6. Назначение демодуляторов, классификация и предъявляемые к ним требования.

7. Схема использования и устройство кольцевого демодулятора. Назначение элементов схемы (рис. 2а).

8. Принцип действия кольцевого демодулятора.

9. Каким динамическим звеном является демодулятор? Поясните результаты исследования демодулятора в динамике.

 

VI. Возможные темы учебно-исследовательской работы.

Тема I. Исследование мостового демодулятора.

На рис. 3 изображена принципиальная схема мостового демодулятора. Мостовой демодулятор широко используется в практике построения автоматических систем, так как обладал определенными преимуществами перед рассмотренным выше кольцевым демодулятором.

 

 

Рис.3 Принципиальная схема мостового демодулятора

 

Учебно-исследовательская работа предусматривает решение следующих вопросов.

1. Изучение принципиальной схемы мостового демодулятора, снятие временных диаграмм, поясняющих его работу.

2. Составление эквивалентной схемы и получение аналитического выражения для расчета коэффициента передачи демодулятора.

3. Проведения теоретического сравнительного анализа кольцевого и мостового демодуляторов.

4. Составление схемы и методики экспериментального исследования мостового демодулятора (совместно с предварительным усилителем или без усилителя).

5. Выполнение экспериментального исследования и сравнительного анализа экспериментального исследования мостового и кольцевого демодуляторов.

6. Выводы по проделанной работе.

Тема 2. Детальное исследование динамических характеристик цепи преобразования сигнала постоянного тока.

В отличие от рассмотренного выше упрощенного исследования динамических характеристик модулятора и модулятора необходимо выполнить также исследование звеньев с модулированным сигналом: контура, обрадованного конденсатором С и первичной обмоткой трансформатора Т2 в модуляторе и резонансного усилителя входного сигнала демодулятора. В процессе исследования должны быть рассмотрены следующие вопросы.

1. Экспериментальное определение частотных характеристик исследуемых элементов.

2. Построение эквивалентных амплитудно-частотных характеристик по огибающей для исследуемых элементов.

3. Сравнительный анализ результатов детального и упрощенного исследования.

4. Выводы по проделанной работы.

 

Библиографический список.

1. Артамонов В.К. Следящие системы радиолокационных станций автоматического управления и сопровождения. "Судостроение",1969,488 c.

2. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.."Наука", 1972, 768 с.

3. Садовников В.А.(ред). Техническая кибернетика. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления. Книга1,М.,"Машиностроение", 1973, 680 с.